Planta automática de deposição de filmes pelo sistema de Impulso de Alta Potência
para Magnetron Sputtering (HIPIMS) Plama-HIPIMS.
Planta piloto para deposição de filmes finos utilizando o processo conhecido como High
Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS), equipamento concebido para depositar
recobrimentos duros pela geração de um plasma reativo composto por alta porcentagem
de átomos metálicos ionizados e gases apropriados.
O Plasma-HIPIMS é uma planta integrada de magnetron sputtering por plasma pulsado de alta
intensidade de corrente em câmara à vácuo. O sistema opera como uma unidade autônoma
controlada por CLP (Controlador Lógico Programável) e supervisionada desde um PC usando
uma interfase gráfica.
Principais parâmetros da planta
Item1
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Parâmetro
Altura da região útil
Quantidade de alvos de
sputtering
Tipos de alvo
Descrição
200 mm
04
02 para HiPIMS
e
02 para Magnetron
Dimensões aproximadas de cada 220 x 110 mm
alvo
Carrousel
01
Satélites
04
Processo de montagem das
Possibilidade de retirar os cilindros e fazer
peças no satélite
montagem das peças externamente
Velocidade máxima de rotação
Controlável por softer até 10 rpm
do carrousel.
Velocidade de rotação dos
Controlável por softer até 30 rpm
satélites
Temperatura do substrato
Ajustável até 450 oC.
Potência de aquecimento
2 kW
Método de medida
02 termopares, uma de controle do substrato
e outra de monitoração dos elementos
aquecedores
Sistema de vácuo
01 bomba mecânica de 50m3/hora
01 bomba turba molecular de 1100
litros/seg.
Pressão de trabalho
Entre 10-3 Torr, e 10 -4 Torr
Quantidade de janelas para
Quatro (04)
Plasma-LIITS Comércio de Equipamentos Industriais Ltda EPP
R. Bertrand Russel 1001, Barão Geraldo , 13083-865, Campinas SP
(019) 9204-2313 (019) 9166-6751 (019) 3521-5465
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observação
Tipo de gases
Fontes de plasma
HiPIMS
Argônio (puro)
Nitrogênio (puro)
Hidrogênio (puro)
Nitrogênio (comercial, quebra vácuo)
Nitrogênio (comercial, pressurização
válvulas)
02 Fontes.
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Corrente
Corrente ajustável continuamente até 250 A
em passos de 0.5A
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Potência média de cada fonte.
Potência por pulso
Tensão máxima
Largura de pulso
Ajuste de largura de pulso
Freqüência de pulsos em cada
alvo
Magnetron.
10 kW
Até 500 W/cm2 /alvo
Tensão máxima de saída 1100 V
Ajustável entre 30 e 250 micro segundos
Em passos de 1 micro seg.
Até 500 Hz em cada alvo.
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Fonte de polarização de
substrato
Regime de operação da planta
Aquisição de dados pelo
supervisorio
02 fontes de corrente continua com valor da
corrente ajustável continuamente cada uma
até um máximo de 15 A.,900 V.
Ajustável continuamente até 1000 Vdc.
Contínuo
Períodos de até 24 horas
Granularidade variável com uma taxa
máxima de até uma aquisição cada 10
segundos
Descrição detalhada
1) Câmara de tratamento (reator).
Reator de sputtering para HiPIMS.
Trata-se de uma câmara para alto vácuo construída em aço inoxidável, sistemas de porta alvos
refrigerados (magnetrones), carrossel e eixos para alojar os materiais serem processados, o
conjunto é dotado de movimento rotatório (carrossel) e planetário com controle de velocidade e
sistema de aquecimento com temperatura controlada. As dimensões internas da câmara são de
600 mm de base e 650 mm de altura. As condições de vácuo necessárias no processo exigem a
utilização de solda especial TIG na construção da câmara apresentando um vazamento ≤ 2x10-5
slm (litros standard / minuto) verificado por teste de He.
As caras laterais opostas do reator estão preparadas para alojar ate quatro (04) alvos de
magnetroes sputtering de dimensões aproximadas de 220 mm x 110 mm e dois (2) conjuntos de
aquecimento. O reator possui um sistema de refrigeração com circuito de água fechado, para
resfriamento da câmara e alvos. A porta lateral de acesso possue alojamentos para vedação
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utilizando o-rings de Viton e dobradiças especiais (tipo “H”) para permitir o auto-alinhamento
da mesma e garantir o vácuo final da câmara. A base do reator, também construída em aço
inoxidável, possui conexões universais para permitir acoplar passantes elétricos e rotativos,
medidores de pressão, sensores, válvulas de vácuo, entrada de gases, instrumentação e controle.
O reator esta montado sobre um bastidor adequado construído em aço carbono, coberto com
tinta anti-ferrugem, robusto e adequado para suportar o reator. Todos os acessos de vácuo ao
sistema são padronizados com flanges NKF40 para facilitar as conexões. O sistema de
refrigeração utiliza conexões de “engate rápido” das mangueiras facilitando a montagem do
equipamento. A atmosfera do reator durante o processo é controlada e monitorada
eletronicamente mediante controladores de fluxo de massa (mass flowmeter conntrollers)
enquanto que a pressão de trabalho é regulada via válvula “borboleta” localizada à saída do
reator (Down Stream Control). O carrossel motorizado possui velocidade ajustável via CLP
(controlador lógico programável) para garantir a uniformidade e qualidade do recobrimento
depositado no substrato. O conjunto de aquecedores internos assim como realimentação
eletrônica para controle proporcional da temperatura dos materiais a serem tratados são também
via CLP. Uma vista esquemática do reator é apresentada em figura 1.
.
Figura 1 – Vista de topo do reator para o processo de HiPIMS.
2) Conjunto de 02 fontes pulsadas de alta corrente, HiPIMS.
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Trata-se de duas (02) fontes pulsadas responsáveis pela geração do plasma para o processo de
elevado impulso (HIPIMS) é construída com componentes semicondutores de potência de
última geração.
As principais características de cada fonte são:
Tensão de pulso variável de 0 – 1100 V
Corrente de pulso: máxima em cada um dos alvos 250 A, ajustável continuamente.
Potência máxima de pulso em cada alvo 500 W/cm2.
Duração do pulso ajustável continuamente entre 30-250 µs,
Potência media máxima 10 kW .
Freqüência máxima dos pulsos 500 Hz por alvo, limitada à potência máxima.
Estabilidade da corrente, melhor que 0.5 %.
A fonte está protegida por um sistema supervisor de arcos que interrompe a corrente do
plasma em um tempo de 1 µs, para evitar danos as peças a serem revestidas.
• Possuir ajuste contínuo de duração de pulso de corrente, e gerar pulsos quadrados com
tempo de subida menor que 1 microsegundo (dependendo das características da carga).
• Indicações digitais da corrente de pulso e tensão de saída.
• Proteções de temperatura do transformador, indutor e componentes semicondutores assim
como filtro de sobre tensão.
• Sistema de travamento externo que permitem habilitar a fonte somente em condições
seguras de operação.
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Figura 2. - Vista externa (a esquerda) e interna (a direita) da fonte Plasma-LIITS para processo
HiPIMS
3) Conjunto de 02 fontes para os alvos com “magnetron”.
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As principais características de cada fonte são:
Tensão de pulso variável de 0 – 900 V
Corrente contínua máxima em cada um dos alvos 15 A, ajustável continuamente..
Potência media máxima 5 kW .
Estabilidade da corrente, melhor que 0.5 %.
A fonte está protegida por um sistema supervisor de arcos que interrompe a corrente do
plasma em um tempo de 1 µs, para evitar danos as peças a serem revestidas.
• Indicações digitais da corrente de pulso e tensão de saída.
• Proteções de temperatura do transformador, indutor e componentes semicondutores assim
como filtro de sobre tensão.
• Sistema de travamento externo que permitem habilitar a fonte somente em condições
seguras de operação.
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4) Fonte de polarização de substrato.
Trata-se de uma fonte de tensão ajustável 0-1000 V.
A fonte permite polarizar negativamente as peças durante o processo de recobrimento.
5) Sistema de controle de entrada de gases.
Gabinete para controle de entrada e distribuição de 03gases para gases puros (N2, H2, e
Ar) na câmara de tratamento descrita no item 1, uma linha de gás de N2 comercial para
quebra do vácuo na câmara e uma linha de nitrogênio comercial para pressurização das
válvulas dos medidores de fluxo de massa. Integram os gabinetes conectores, redutores,
tubos de inoxidável, manômetros, gaveta de controle de abertura dos medidores de
fluxo de massa, válvulas FESTO pneumáticas, e manômetros redutores de saída dos
cilindros de gases.
Figura 3. Gabinete de controle e distribuição de gases utilizando controladores de
massa e controle de pressão com válvula borboleta.
5- Sistema de aquecimento do reator.
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Sistema composto por duas unidades de aquecimento resistivo permitindo controlar a
temperatura das peças até 450oC integrado por: painel de potência de aquecimento do
forno, termopares, controladores e indicadores digitais de temperatura, sistema de
sinalização, chaves e indicadores de status do sistema de aquecimento.
6- Sistema de resfriamento.
Para atender aos requerimentos de resfriamento dos alvos de sputtering, passantes e
sistema de vedação do reator utiliza-se um sistema com circuito fechado de resfriamento
com água com controle de temperatura e mangueiras com conexões de engate rápido.
7-. Sistema de controle
O sistema de controle permite definir os parâmetros do processo, supervisionar a
operação, armazenar programas completos de processo (receitas) e emitir relatórios
(tabelas e gráficos) das diversas variáveis do processo de formação do filme. O
programa permite modificar parâmetros durante o processo. O supervisor apresenta um
esquema sinóptico amigável, permitindo visualizar os pontos de operação e controle na
tela principal. A barra de ferramentas da tela principal permite acessar em todo
momento, relatórios de eventos, receitas, gráficos de controle, parâmetros envolvidos
tais como pressão, fluxos, corrente, tensão, tempo de processos, etc. O sistema de
controle inclui o computador pessoal.
NOTA 01. O local designado para instalação da Planta de Plasma-HIPIMS deve
possuir: um painel com alimentação elétrica trifásica 220Vac 60 Hz com uma potência
disponível de 70 kW, 05 cilindros de gases com os correspondentes manômetros
redutores de posto nos cilindros, 05 linhas de gases com tubulação desde os cilindros até
as entradas do gabinete de controle de gases. Finalmente, um sistema de gerador de
emergência de energia com uma potência de 05 kW para alimentação do sistema de
resfriamento em caso de queda de fornecimento de energia.
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